化工机械基础化工设备课程设计液氨储罐机械设计

目录第一章、绪论-----------------------------------------------------21.液氨贮罐的设计背景---------------------------------------------52.设计任务-----------------------------------------------------3.设计思路-----------------------------------------------------4.2.液氨贮罐的分类及选型-------------------------------------------53.设计温度和设计压力的确定---------------------------------------第二章、材料及结构的选择与论证-----------------------------------61.材料选择与论证-------------------------------------------------62.结构选择与论证-------------------------------------------------7第三章工艺尺寸的确定-------------------------------------------8第四章设计计算-------------------------------------------------91.计算筒体的壁厚-------------------------------------------------92.计算封头的壁厚------------------------------------------------103.水压试验压力及其强度校核--------------------------------------104.选择人孔并核算开孔补强----------------------------------------115.选择鞍座并核算承载能力----------------------------------------136.选择液位计----------------------------------------------------147.选配工艺接管--------------------------------------------------14设计小结--------------------------------------------------------15参考文献--------------------------------------------------------16总图材料明细表………………………………………………………第一章、绪论1、液氨贮罐的设计背景化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。2设计任务设计一液氨贮罐。工艺条件：查文献资料知芜湖地区30年最高温度为40℃，氨饱和蒸气压MPa55.1，工作压力3.4MPa,容积为330m。3设计思路综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责团结合作的态度，对储罐进行详细设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性，各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有实际意义，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计，研究出最佳方案。4设计特点容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。5设计符号说明英文字母α———容器的设计寿命,y;iD———贮罐内径，mm;tσ———钢板的许用应力，MPaP———液氨的饱和蒸汽压，MPa1C———钢板厚度负偏差,mm;2C———介质的腐蚀裕量,mm;希腊字母———罐体计算厚度,mm;d———罐体设计厚度,mm;n———罐体的名义厚度,mm;e———罐体的有效厚度,mm;———圆整值，mm———腐蚀速率，ymm/———焊接接头系数6、液氨贮罐的分类及选型储罐的形状有圆形或球形。圆筒形储罐两端的封头有椭圆形、球形、锥形和平盖等形状。在本设计中由于设计体积较小且工作压力较小，可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，故选用卧式圆筒形容器。卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。选择化工容器的材料也是设计中的重要问题，应该综合考虑容器的操作条件和钢材的性能、价格等。氨对钢材的腐蚀作用很小，但是，置于室外的液氨储罐，它的操作温度就是大气温度，它的操作压力就是操作温度对应的饱和蒸汽压。随着气温的变化，液氨储罐的操作温度和压力也随之变化，制造储罐的钢材应能承受这种变化。液氨储罐通常选择16MnR钢，它是屈服强度为350MPa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在我国北方严寒地区，冬季最低气温可达-30℃，这时普通碳钢将会出现低温脆性（冲击韧性严重下降），就应选用低温设备用钢（如09Mn2VDR）。7、设计温度和设计压力的确定罐储存的是经过压缩机压缩后，被冷却水冷凝的液态氨，由于冷却水的温度随气候变化而波动，通常氨被压缩到0.9～4MPa才能被冷却水冷凝。储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在冬季可达-30℃，在夏季储罐经太阳曝晒后，液氨的温度可达50℃，这时候氨的饱和蒸汽压，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断改变（参考下表1）。表1：液氨的饱和蒸汽压和密度温度（℃）50403020100-10-20-30饱和蒸汽压（绝压，MPa）2.071.5531.1650.8560.6140.4280.2910.1900.120密度（kg/m3）563580595610625639652665678液氨储罐的操作温度通常可取夏季的最高气温40℃。为了确保操作安全，我国劳动和社会保障部颁布的《压力容器安全技术监察规程》第24条规定：压力容器的设计压力不得低于最高工作压力，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力或爆破压力。工程中其设计压力不低于安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05～1.10倍工作压力），通常选取为1.6MPa（相当于取40℃时饱和蒸汽压对应的设计压力）。又因为芜湖地区天气最高室温一般不会超过40℃，此时氨的饱和蒸汽压为1.553MPa（绝对压力），而设计要求工作压力为3.4MPa，故设计压力取P=3.6MPa。8、液氨储罐工艺尺寸的确定储罐容量为330m，查表：公称直径DN1米高容器体积V1米高容器内表面积Fi1米高容器钢板质量Kg钢板厚度101416002.0175.0339755720003.1426.2849669522003.8016.8154576424004.5247.5559483326005.3098.1764490228006.1588.8069397230007.0309.43742104332008.05010.057921110表5-2EHA椭圆形封头内表面积、容积（钢制：JB/T4746-2002）序号公称直径DN（mm）总深度H（mm）内表面积A（2m）容积V（m³）序号公称直径DN（mm）总深度H（mm）内表面积A（2m）容积V（m³）113003501.93400.32084300075010.253.89226006507.632.5154400114021.538911.7588328007008.913.1864500116522.516212.5644注：对于封头直边高度h的取值，JB/T4746-2002规定：当DN≤2000时，取h=25mm；②当DN＞2000时，取h=40mm。总深度H＝h＋h1，h1为①封头内曲面高度。设计体积3030mV，公称直径mmDi2400；采用标准椭圆形封头，按JB/T4746-2002规定：取直边高度40mm；则单个头容积3000.2mVh，封头总容积3042mVVhh，故筒体容积3026mVVVh筒，mmDiVLo575142筒，取整后筒体长度取为mmL5800，实际V=32041.3041.264mVV。筒体的总内表面积：2071.438.54.214.3mDLSΠ单个封头的表面积：2152.6mS封头的总内表面积为：21204.132mSS筒体的总内表面积：22075.5604.1371.43mSSS由于液氨筒体的长径比值为92为合适值，所选的长径比为2.42第二章、材料及结构的选择与论证1、材料选择与论证纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一般钢种，但由于压力较高，根据钢种适用范围的说明，可以考虑采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。其中适用较多且合理的为20R和16MnR钢种。从钢板耗量上看，钢板耗用量与板厚成正比，采用16MnR时，钢板用量比采用20R时要少。因此，16MnR钢板的价格虽比20R钢板略贵，但从耗用量和价格综合考虑，两种钢板均可考虑。从制造费用上看，由于采用16MnR钢板，厚度较薄，质量较轻，且制造费用目前也按碳钢设备重量同等计价，因此采用16MnR钢板，制造费用较为经济。综上所述，本设计的储罐材料选用16MnR钢板制作罐体和封头。2、结构选择与论证①封头形式的确定本设计选用椭圆形封头，椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的，所以，封头上的应力分布也是均匀变化的，受力状态比蝶形封头要好，虽不如半球封头，但对各种封头的强度和经济合理性进行比较。从钢材耗用量考虑，球形封头用量最少，比椭圆形封头节约25.8％，平板封头的用量最多，是椭圆形封头的4倍多。从制造考虑，椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，材料的获得、车削加工、焊接等方面都遇到不少困难，且封头与筒体厚度相差悬殊，结构也不合理。所以，从强度、结构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。②人孔选择卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，开启时人孔盖悬挂于吊杆下，避免搬动较重的人孔盖。碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查HG21522～21524-2005标准。图6-1碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔结构图人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。本设计卧式容器筒体长度为5800mm，设置一个人孔。人孔类型公称压力MPa公称直径mm板式平焊法兰人孔0.6400、450、500、600板式平焊法兰人孔（限用凸面）或带颈平焊法法兰1.0400、450、500、6001.6400、450、500、6